El documento habla sobre la materia y energía oscura que componen la mayor parte del universo. Se explica que aunque se sabe que existen la materia y energía oscura debido a su influencia gravitacional, nunca se han podido detectar directamente. La materia oscura representa el 21% de la composición total del universo mientras que la energía oscura es el 75%. A pesar de que componen la mayor parte del universo, la materia común conocida como galaxias, estrellas y planetas solo representa el 4% de la materia total del universo.

1. capítulo
Sistemas materiales
Introducción
1
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El curso Introducción a las Ciencias Físicas de 2º año estará centra-
do en el conocimiento y profundización de dos conceptos fundamen-
tales de la ciencia: materia y energía.
El hombre siempre ha querido comprender el universo que lo rodea,
eso ha determinado que materia y energía hayan sido objeto de estudio
desde la antigüedad.
Ya los griegos, hace 2500 años, dieron diferentes explicaciones sobre
la constitución de la materia (fig. 1). Hoy las investigaciones en mecá-
nica cuántica y física de partículas permiten comprender más profun-
damente la interacción entre materia y energía (fig. 2).
Fig. 1. Aristóteles 384 a. C. – 322 a. C.
Uno de los filósofos más importantes de
la humanidad, cuya obra ha influenciado
a los grandes pensadores de la historia
antigua y contemporánea.
Fig. 2. Parte del Gran Colisiona-
dor de Hadrones construido en el CERN
(Organización Europea para la Investi-
gación Nuclear) donde, realizando coli-
siones entre partículas a altas velocida-
des, los científicos pretenden conocer
más sobre la naturaleza de la materia.
2º C.B. • Ciencias Físicas Capítulo 1 • Sistemas materiales 9

2. En los siguientes capítulos analizaremos los diferentes estados en
que se presenta la materia en la naturaleza, sus características, los cam-
bios que experimentan y la participación de la energía en estas trans-
formaciones.
Estudiaremos algunas propiedades de los materiales que nos rodean
para comprender las ventajas y desventajas de su utilización en el dise-
ño y fabricación de diferentes dispositivos.
Finalmente abordaremos el rol de la energía como motor del desa-
rrollo mundial, las diferentes formas de transformarla, su impacto en la
economía y en el medio ambiente (fig. 3).
Para poder lograr los objetivos planteados del curso, será necesario
realizar experimentos, que exigirán una metodología de trabajo orde-
nada y sistemática. También será imprescindible la lectura de artículos
de divulgación científica y búsqueda de información calificada, pero sin
duda lo más importante será tu capacidad de procesar toda esta infor-
mación de forma reflexiva, analítica y crítica.
Materia
Podemos aproximarnos a una definición de materia considerando
Fig. 3. La búsqueda de energías al- que forma todos los cuerpos del Universo y que de alguna manera pue-
ternativas a las tradicionales es uno de
los mayores desafíos de la humanidad
de percibirse mediante los sentidos.
para asegurar un desarrollo sustentable.
Esta percepción a veces no resulta fácil siendo necesario el uso de
instrumentos adecuados como un microscopio para observar peque-
ñas partículas o telescopios para visualizar objetos muy lejanos.
MATERIA: es el constituyente de todos los cuerpos del Universo.
Estados físicos de la materia
Si observamos a nuestro alrededor percibimos diferentes cuerpos u
objetos porque ellos estimulan nuestros sentidos: una escultura, el agua
del mar o una brisa fresca sobre la piel (fig. 4).
Todos los objetos que nos rodean se nos presentan en diferentes es-
tados físicos, siendo los tres fundamentales:
Estado sólido
Estado líquido
Estado gaseoso
10 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.

3. Fig. 4. Sólido, líquido y gaseoso son los estados fundamentales de la materia.
Podemos mencionar al plasma como un cuarto estado de la materia,
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o considerarlo como una forma especial del estado gaseoso que en de-
terminadas condiciones adquiere propiedades electromagnéticas. Este
estado está presente en el sol y demás estrellas, en las lámparas de bajo
consumo, en el aire cercano a los rayos en una tormenta eléctrica o en
una bola de plasma (fig. 5).
Además existen mezclas de los estados fundamentales (gelatinas,
cremas, merengues, pastas, etc). El merengue, por ejemplo, se obtiene
batiendo clara de huevo; mediante agitación se incorporan burbujas de
aire quedando con la consistencia “espumosa” característica. Fig. 5. El gas contenido en la esfera
de vidrio se encuentra en el estado deno-
minado plasma.
Características macroscópicas
de los estados de la materia
Las características macroscópicas son aquellas que se pueden ver a
simple vista, en contraposición a las microscópicas que requieren ins-
trumentos para verlas o detectarlas.
Resulta sencillo identificar los estados físicos de la materia. Por
ejemplo el cuerpo de una persona tiene huesos en estado sólido, sangre
en estado líquido y aire, en estado gaseoso, en sus pulmones.
En el siguiente cuadro se describen en forma comparativa algunas
características de los estados físicos de la materia.
2º C.B. • Ciencias Físicas Capítulo 1 • Sistemas materiales 11

4. ESTADO SÓLIDO ESTADO LÍQUIDO ESTADO GASEOSO
Tiene forma propia No tiene forma propia, adopta No tiene forma definida
la forma del recipiente que lo
contiene
Tiene volumen propio Tiene volumen definido No tiene volumen definido. Ocupa
todo el volumen disponible del
recipiente donde está contenido
Prácticamente no se puede Se comprime más que un sólido Es muy compresible
comprimir
Se dilata muy poco Tiene mayor dilatación que un Se dilata mucho más que un
sólido sólido y que un líquido
Actividad 1
Observación de las características macroscópicas de los estados
de la materia.
Coloca cubos de hielo en un recipiente transparente.
En otro recipiente similar coloca agua a temperatura ambiente.
Infla un globo (fig. 6).
Indica en qué estado físico se encuentra el contenido de cada uno
de los recipientes.
¿En qué casos el contenido tiene forma propia y en cuáles adopta
la forma del recipiente?
¿En qué casos el volumen del contenido es igual al del recipiente?
Realiza una marca indicando el nivel del líquido y si tienes una
cámara digital toma una foto de los tres sistemas. Luego introdú-
celos en el freezer durante 2 horas y vuelve a tomar una fotogra-
fía. ¿En algún caso es apreciable una variación del volumen? Ex-
plica.
Fig. 6. En cada recipiente tenemos materia en diferente estado físico.
12 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.

5. Sistemas materiales y clasificación
Cuando realizamos una investigación resulta útil dividir el espacio
en sistema y ambiente.
¿Qué es un sistema?
SISTEMA: es la porción del espacio que vamos a estudiar.
AMBIENTE: es todo lo que rodea al sistema.
En algunos casos el sistema y el ambiente pueden estar delimitados
por una “frontera” física, en otros casos no es así. Por ejemplo, un reci- Fig. 7. Si la planta es el sistema a
estudiar, todo lo que la rodea e interactúa
piente tapado conteniendo un líquido tiene límites materiales, sin em-
con ella constituye el ambiente.
bargo si nuestro sistema a estudiar es la atmósfera, su límite es teórico
y no físico.
Sistemas abiertos, cerrados y aislados
Utilizando como criterio la interacción entre sistema y ambiente po-
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demos realizar la siguiente clasificación:
SISTEMA ABIERTO: es el que intercambia materia y energía
con el ambiente.
El sistema formado por la planta (fig. 7) es un sistema abierto, debi-
do a los múltiples intercambios de materia y energía que realiza con el
ambiente. Por ejemplo agua, minerales, gases y luz.
Fig. 8. Sistema cerrado.
SISTEMA CERRADO: es el que intercambia energía pero no No es posible el intercambio de materia
intercambia materia con el ambiente. pero sí de energía con el ambiente.
Las arvejas dentro de la lata cerrada (fig. 8) configuran un sistema
cerrado, ya que no es posible que ingrese o salga materia de ella. Pero
sí es posible el intercambio de energía; por ejemplo si calentamos el re-
cipiente, las arvejas también aumentarán su temperatura lo que indica
que ingresó energía.
En este caso las paredes del recipiente determinan una frontera ma-
terial entre el ambiente y el sistema.
SISTEMA AISLADO: es el que no intercambia ni materia ni
energía con el ambiente.
Agua caliente dentro de un termo cerrado o cubitos de hielo dentro
de una conservadora son ejemplos de sistemas aislados.
Si bien a través de sus paredes pueden producirse pequeños inter-
cambios de energía, durante el tiempo de trabajo experimental pode- Fig. 9. Sistema Aislado
El contenido de un termo tapado es un
mos considerar despreciables dichas transferencias (fig. 9). ejemplo de sistema aislado.
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6. Sistemas homogéneos y heterogéneos
Es posible clasificar los sistemas materiales utilizando como criterio
el número de fases.
Se denomina fase a cada una de las diferentes “partes o zonas” que
se observan.
SISTEMA HETEROGÉNEO: es aquel formado por dos o más
fases.
Ejemplos
Fig. 10. El sistema formado por Un sistema formado por agua y aceite se clasifica como sistema he-
agua y aceite es heterogéneo.
terogéneo porque tiene dos fases.
En el recipiente de la figura 10 se observa el agua de mayor densidad
en la parte inferior del recipiente y el aceite, menos denso, en la parte
superior. Este sistema formado por dos componentes (agua y aceite)
tiene dos fases bien diferenciadas.
En el vaso de la figura 11 se observa otro sistema heterogéneo for-
mado por dos fases: limonada y cubitos de hielo.
Siempre es posible encontrar un procedimiento para separar las fa-
ses (método de separación de fases).
En el primer ejemplo es posible separar el agua del aceite utilizando
un dispositivo llamado embudo de decantación (fig. 12).
Para separar las fases del sistema formado por limonada y cubitos de
hielo se puede utilizar una pinza (extracción directa).
Fig. 11. El sistema formado por li-
monada y cubitos de hielo es heterogé-
SISTEMA HOMOGÉNEO: es aquel formado por una sola fase.
neo.
La limonada contenida en el vaso (fig. 13) y la harina que se observa
en el plato (fig. 14) son ejemplos de sistemas homogéneos.
Fig. 12. El embudo de decantación Fig. 13. Sistema homogéneo. Fig. 14. Sistema homogéneo.
permite separar agua y aceite.
14 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.

7. Actividad 2
Dados los seis sistemas de la figura 15:
a) Clasifícalos según el número de fases.
b) En caso de clasificarlo como heterogéneo, explica cómo procede-
rías para separar las fases y los materiales necesarios.
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Fig. 15 a. Fideos y agua. Fig. 15 b. Harina y lentejas. Fig. 15 c. Alcohol.
Fig. 15 d. Arena y agujas. Fig. 15 e. Corcho, arena y agua. Fig. 15 f. Agua con hielo.
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8. Lectura
Universo oscuro
Materia
común
Materia Energía Oscuro. Hace tiempo que los cosmólogos no dudan en definir
oscura oscura así a nuestro universo. Y es que cada vez son más los datos que
confirman que la energía oscura y la materia oscura son sus
principales componentes.
Se sabe que existen, pero no se sabe lo que son. Hay consenso al reconocer
su enorme influencia, pero jamás se han podido detectar. Energía y materia
oscura parece que lo invaden todo, pero nadie sabe de qué están hechas.
Fig. 16. La totalidad de la “materia Todo empezó hace unos años con las observaciones del movimiento de al-
común” que conocemos, solo representa gunas galaxias y de la luz que pasaba próxima a ellas, que no seguían las re-
el 4 % del total de la materia del universo glas que predecía la teoría de Einstein. Luego vendría la sorpresa de ver cómo
material. las galaxias lejanas se distanciaban de nosotros a una velocidad muy superior
a la que también predecía dicha teoría.
La explicación más aceptada desde entonces a estas irregularidades, es que
nuestro universo está compuesto además de por la materia que conocemos,
por un tipo de materia a la que se ha denominado “materia oscura” que su-
pondría el 21% de la composición total del universo. Se sabe que no emite luz
y que casi no interactúa con la materia ordinaria, pero que ejerce una gran
fuerza de gravedad.
Asimismo se cree que también tiene que existir una “energía oscura” -un
75% del cosmos- responsable de la aceleración que sufre actualmente la ex-
pansión del universo. Estas ideas, concebidas ya hace tiempo, han sido confir-
madas por numerosas observaciones.
Que el universo conocido -galaxias, estrellas, nuestro Sistema Solar e in-
cluso la Tierra, pertenezca tan solo a ese pequeño 4% de la materia ordinaria
del universo, aviva todavía más la curiosidad por nuestro cielo.
La “naturaleza oscura” supone en la actualidad un nuevo universo por des-
cubrir, un nuevo reto para nuestra mente.
Artículo de J. M. López publicado en la revista Fusión – España 2006
Fig. 17. Imagen de la nebulosa
“Cabeza de Caballo” tomada por el Ob-
Cuestionario:
servatorio Europeo Austral - Chile.
1. Además de la materia que forma todos los cuerpos conocidos ¿cómo está
compuesto nuestro universo?
2. ¿Por qué estas formas de materia y energía reciben el nombre de “oscura”?
3. Si no es posible percibirlas por los sentidos; ¿en qué se basan los científicos
para sostener su existencia?
4. ¿Qué interpretas cuando el autor dice que la materia y la energía oscura
suponen un “nuevo universo por descubrir”?
16 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.

9. Investiga
1) En los últimos años se ha popularizado el término “plasma” debido
a la nueva tecnología utilizada para fabricar pantallas de televisores,
conocidas por su sigla PDP (Plasma Display Panel).
a) ¿Cómo se relacionan las pantallas de plasma con el plasma como
Fig. 18.
cuarto estado de la materia? (fig. 18)
b) ¿Qué diferencias tecnológicas existen entre las pantallas de plas-
ma, las de LCD (cristal líquido) o las clásicas CRT (tubo de rayos
catódicos)?
2) El agua tiene un rol indispensable para la vida en nuestro planeta y
se encuentra presente en los tres estados físicos (fig. 19).
a) Indica en qué zonas de la biósfera existen cantidades significati-
vas de agua y en qué estado se encuentra.
b) El agua del planeta está en permanente circulación generándose
el denominado Ciclo del Agua. Investiga y explica las caracterís-
ticas más relevantes de este ciclo.
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3) En este capítulo se han mencionado los estados de la materia, sóli- Fig. 19. En la biósfera es posible
encontrar agua en los tres estados físicos.
do, líquido, gaseoso y plasma. En la actualidad los científicos con-
sideran la existencia de un quinto estado denominado Condensado
de Bose-Einstein.
a) ¿Por qué lleva el nombre Bose – Einstein?
b) ¿Es posible encontrar materia en este estado a temperatura am-
biente?
4) Al estudiar algunas características macroscópicas de los líquidos y
sólidos, hemos visto que son poco compresibles y su dilatación no
es tan notoria comparada con un gas. Sin embargo estas variaciones
de volumen no siempre son despreciables (fig. 20). Investiga:
a) ¿Qué son las juntas de dilatación y cuál es su utilidad en la cons-
trucción de estructuras como puentes, edificios y vías férreas?
b) ¿Cómo se relaciona el funcionamiento de un termómetro con la Fig. 20. La previsión de dilatacio-
nes es fundamental en el diseño de obras
dilatación de los líquidos? viales y edilicias.
Preguntas
1) a) ¿Qué es un sistema?
b) ¿A qué se denomina ambiente?
2) a) Define qué es un sistema abierto, uno cerrado y uno aislado.
b) Menciona un ejemplo de cada tipo.
3) a) ¿Cuáles son los estados físicos de la materia?
b) ¿Cuáles son las características de cada uno de ellos?
4) a) Define qué es un sistema homogéneo y heterogéneo.
b) Indica un ejemplo de cada tipo.
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10. PROBLEMAS
1) En una clase el profesor pregunta: ¿qué tipo de sistema es una caja
de leche chocolatada sin abrir? (fig. 21)
Carolina considera que es un sistema aislado, en cambio Martina
opina que es un sistema cerrado. ¿Cuál de las dos alumnas tiene ra-
zón y por qué?
2) Clasifica los siguientes sistemas en abierto, cerrado o aislado, expli-
cando en cada caso la relación con el ambiente.
a) sardinas enlatadas
b) copa con vino
c) un paquete de panchos envasados al vacío
d) recipiente de espumaplast conteniendo helado
Fig. 21. Problema 1. e) un árbol
f) una habitación con las puertas y ventanas cerradas
3) En un experimento se está estudiando la flotabilidad de algunos
cuerpos en agua (fig. 22).
a) Indica qué partes componen el sistema y cuál es el ambiente.
b) Clasifica el sistema como abierto, cerrado o aislado.
c) ¿En qué estado físico está cada componente del sistema?
d) ¿El sistema es homogéneo o heterogéneo?
e) ¿Cuántas fases tiene?
4) El recipiente de la figura 23 contiene agua coloreada y está tapado
de tal forma que no permite el intercambio de materia con el am-
biente.
Fig. 22. Problema 3. a) Identifica qué partes componen el sistema y cuál es el ambiente.
b) Clasifica el sistema en abierto, cerrado o aislado.
c) ¿El sistema es homogéneo o heterogéneo?
d) Si enfriáramos el recipiente hasta obtener hielo ¿cambiaría la
masa del sistema? Justifica.
5) Describe lo que ves en cada fotografía (fig. 24 a, b y c) e indica en
qué estado físico está la materia en cada una, justificando tu res-
puesta.
Fig. 23. Problema 4.
Fig. 24 a, b y c. Problema 5.
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